雪崩二極管是利用半導體結構中載流子的碰撞電離和渡越時間兩種物理效應而產生負阻的固體微波器件。

 

PN結有單向導電性，正向電阻小，反向電阻很大。

 

當反向電壓增大到一定數值時，反向電流突然增加。就是反向電擊穿。它分雪崩擊穿和齊納擊穿（隧道擊穿）。

 

雪崩擊穿是PN結反向電壓增大到一數值時，載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。

 

利用這個特性制作的二極管就是雪崩二極管

雪崩擊穿是在電場作用下，載流子能量增大，不斷與晶體原子相碰，使共價鍵中的電子激發形成自由電子-空穴對。新產生的載流子又通過碰撞產生自由電子-空穴對，這就是倍增效應。1生2，2生4，像雪崩一樣增加載流子。

 

 

齊納擊穿完全不同，在高的反向電壓下，PN結中存在強電場，它能夠直接破壞共價鍵將束縛電子分離來形成電子-空穴對，形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場強度很大！只有在雜質濃度特別大的PN結才做得到。（雜質大電荷密度就大）

 

一般的二極管摻雜濃度沒這么高，它們的電擊穿都是雪崩擊穿。齊納擊穿大多出現在特殊的二極管中，就是穩壓二極管

 

它是在外加電壓作用下可以產生高頻振蕩的晶體管。產生高頻振蕩的工作原理是：利用雪崩擊穿對晶體注入載流子，因載流子渡越晶片需要一定的時間，所以其電流滯后于電壓，出現延遲時間，若適當地控制渡越時間，那么，在電流和電壓關系上就會出現負阻效應，從而產生高頻振蕩。它常被應用于微波領域的振蕩電路中。

 

工作原理

在材料摻雜濃度較低的PN結中，當PN結反向電壓增加時，空間電荷區中的電場隨著增強。這樣，通過空間電荷區的電子和空穴，就會在電場作用下獲得的能量增大，在晶體中運動的電子和空穴將不斷地與晶體原子又發生碰撞，當電子和空穴的能量足夠大時，通過這樣的碰撞的可使共價鍵中的電子激發形成自由電子–空穴對。新產生的電子和空穴也向相反的方向運動，重新獲得能量，又可通過碰撞，再產生電子–空穴對，這就是載流子的倍增效應。當反向電壓增大到某一數值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發生雪崩一樣，載流子增加得多而快，這樣，反向電流劇增， PN結就發生雪崩擊穿。利用該特點可制作高反壓二極管。下圖是雪崩擊穿的示意圖。

 

 

雪崩二極管是一種負阻器件，特點是輸出功率大，但噪聲也很大。主要噪聲來自于雪崩噪聲，是由于雪崩倍增過程中產生電子和空穴和無規則性所引起的，其性質和散彈噪聲類似。雪崩噪聲是雪崩二極管振蕩器的噪聲遠高于其它振蕩器的主要原因。

 

雪崩二極管如何幫助防止過電壓

 

當IGBT在高性能應用中高速接通和斷開時，總會發生過壓。例如，當關閉負載電流電路時，集電極 - 發射極電壓突然上升，達到非常高的峰值。由開關引起的過電壓會嚴重損壞甚至破壞開關晶體管。

 

常見的過電壓保護方法是“有源鉗位（active clamping）”。在這種情況下，雪崩二極管用作直接反饋。如果關斷導致電感負載過壓峰值，則由雪崩二極管傳導至IGBT柵極，并且IGBT重新接通。

 

 

上圖顯示了基本原理：當電壓上升時，二極管被阻斷（A）。在耗盡區中，一個自由電子觸發雪崩的瞬間，電壓突然下降到低于30V的擊穿電壓電平，雪崩二極管立刻擊穿（B）。在重新啟動之前，有時只能保持雪崩電流在短時間內穩定，并且電壓再次上升（C）。擊穿延遲（D）即兩次擊穿事件之間的時間，是不能預測的。

 

建議將具有改善噪聲性能的雪崩二極管用于有源鉗位過壓保護，因為它們能夠：

 

˙ 在快速上升的反向電壓下，更快擊穿

˙ 在低電流（低于~1mA）時具有更穩定擊穿電壓，因此：

˙ 延長其它器件的壽命，例如 IGBT或Mosfet，結果：

˙ 為變頻器或電機控制器等應用節省成本，因為組件較少需要更換。

 

雪崩二極管的噪聲是如何產生的？

 

雪崩二極管的噪聲來自雪崩的不斷接通和斷開，即電壓峰值的不斷產生及其突然擊穿（見圖）。觸發雪崩擊穿有兩個先決條件：

 

1. 存在足夠的擊穿電壓以產生用于碰撞電離的臨界電場強度。

2. 存在自由電子，因而形成漏電流。

 

例如，1.6pA = 1.6 x 10-12A漏電流等于通過阻擋層的電子流速為每秒107電子，這意味著在統計上每100ns只能觸發一次雪崩。然而，由于不是每個電子都會觸發雪崩，實際上觸發時間會更長。因此，觸發雪崩擊穿的概率與泄漏電流成比例。換句話說：漏電流越大，觸發雪崩擊穿的概率越高或擊穿延遲時間越短（圖中：D）。

 

在兩個沖擊漏電流電子之間，二極管處的反向電壓可以顯著上升到高于擊穿電壓電平。只有當下一個沖擊電子觸發雪崩時，二極管的電壓才會突然下降到擊穿電壓水平。

 

如果電壓源提供足夠的電流，例如 1mA，雪崩擊穿可以通過連續的碰撞電離保持自身運行，從而產生穩定的雪崩電流。

 

但是，如果源電流太低，例如100μA，低于擊穿電壓電平的雪崩電壓突然下降，使得二極管放電，將導致雪崩擊穿立即再次停止。這時，需要一定的時間來使二極管和線電容充電，使低源電流達到所需的電壓電平，然后下一個電子才能觸發新的雪崩。這種雪崩的不斷接通和斷開導致雪崩二極管擊穿的典型噪聲。

 

二極管噪聲性能的差異在圖中也可見：圖中顯示了兩個Z二極管（齊納二極管）的擊穿電壓范圍，在100μA的反向電流（IR）下測得的擊穿電壓為30V。其中一個二極管基于標準技術，使用極低的漏電流，另一個則采用“低噪聲技術”。具有“低噪聲技術”的齊納二極管具有更穩健的電壓特性，優于僅能在短時間內保持恒定雪崩電流的另一個二極管（C）。

 

威世提供采用“低噪聲技術”的Z二極管，這些新一代產品包括SMF、BZD27、BZG 03、BZG04、 BZG05、PLZ 和 VTVS系列，由于適度增加漏電流（IR~10nA）而明顯增加了觸發雪崩擊穿的可能性，從而降低了噪聲，并為用戶提供了在低電流（低于~1mA）時更穩定的擊穿電壓以及快速上升反向電壓的更快擊穿。

 

二極管噪聲的更進一步影響因素

 

漏電流隨溫度增加而呈指數上升，即噪聲隨溫度升高而降低；光還可以釋放二極管耗盡區中的自由電子，從而降低噪聲水平。這意味著：四周環境越暗越冷，噪音水平越高。